Super Physics Smackdown: Relativitet v Quantum Mechanics...In Space

En av den moderna vetenskapens stora gåtor är att de lagar som styr universum i den största skalan är helt annorlunda än de som styr i den minsta skalan.

Det är konstigt eftersom all vår intuition om universum är att det borde vara internt konsekvent snarare än i strid med sig själv. Det är därför fysiker är oupplösligt förbundna med idén att relativitet och kvantmekanik måste vara manifestationer av en större och bättre idé som omfattar dem båda.

Skillnaderna mellan allmän relativitet och kvantmekanik är så stora att varje försök att förena dem hittills har misslyckats. Dessa försök har dock varit helt teoretiska och det ger dem begränsad användbarhet.

Till exempel mäter fysiker rutinmässigt kvantfenomenet intrassling genom att skicka intrasslade par av fotoner från en plats till en annan. I dessa experiment måste både sändaren och mottagaren mäta fotonernas polarisering, till exempel vertikalt eller horisontellt. Men det kan bara hända om båda parter vet åt vilket håll som är uppåt.

Det är lätt att specificera när de är nära varandra. Men det blir mycket svårare om de är åtskilda av avstånd över vilka rumtidens krökning spelar in. Problemet här är att svaret är tvetydigt och beror på den väg som varje foton tar genom rymdtiden.

Experimentörerna kan räkna ut detta genom att spåra varje fotons väg tillbaka till sin gemensamma källa, om detta är känt. Men hur 'vet' varje foton den väg som den andra har tagit? Teoretiker kan bara gissa.

Ett annat problem uppstår när den här typen av experiment görs med sändaren och mottagaren som färdas med relativistiska hastigheter. Detta introducerar det välkända problemet med att bestämma händelseordningen, vilket Einstein berömt visade beror på observatörernas synpunkter.

Det står i skarp kontrast till förutsägelsen av kvantmekaniken. Här bestämmer mätningen av en intrasslad foton omedelbart resultatet av en framtida mätning på den andra, oavsett avståndet mellan dem.

Om speciell relativitetsteori säkerställer att händelseordningen är tvetydig, vad ger då? Återigen är teoretiker rådvilla.

Sättet att besvara dessa frågor är naturligtvis att testa dem och se.

Idag beskriver David Rideout vid University of California, San Diego och några vänner olika sätt att knäcka dessa nötter och de säger att den här typen av experiment borde vara möjliga inom en snar framtid.

Det beror till stor del på att den experimentella utrustningen som krävs är standard i många optiklaboratorier, så att kvalificera den för användning i rymden borde vara enkel.

Två grupper har redan föreslagit att göra den här typen av experiment i rymden. En grupp vill lägga ett paket som kan producera intrasslade fotoner på den internationella rymdstationen, för att stråla tillbaka till jorden. En annan vill behålla kvantutrustningen på marken och studsa fotoner från en enkel mikrosatellit i låg omloppsbana om jorden, ett alternativ som de säger kommer att vara billigare, enklare och bättre.

Ingen av grupperna har ett lanseringsdatum i åtanke eller ens de garanterade medlen för att bygga sin utrustning. Men det kan förändras, med tanke på det ökande intresset för detta område och möjligheten att kinesiskt arbete skulle kunna ta steget från västerländska ansträngningar.

Utöver detta finns det alternativ på längre sikt att stråla fotoner längre bort - från månen eller interplanetära rymdskepp, till exempel.

Den större bilden är att för att hitta ny fysik måste forskare driva experiment till nya gränser. Fysiker har inte kunnat testa generell relativitet på kvantskalan (dvs Planck-skalan på 10^-34m). Men nu pågår ansträngningar för att utforska denna skala med hjälp av atominterferometrar.

Och hittills har fysiker inte kunnat testa kvantmekaniken på skalan av allmän relativitet, eftersom avstånden över vilka rumstidens krökning blir betydande är så stora. Vi såg för bara några veckor sedan att rekordet för teleportering av kvantobjekt bara är 150 km , vilket är för lite för att den allmänna relativitetsteorien ska fungera sin magi.

Rideout och co säger att det kommer att förändras under de kommande åren. Kvantmekanikens paradoxer diskuterades först av Einstein, Bohr och andra på 1920- och 30-talen. Men av olika anledningar, inte minst blinda fördomar mot denna typ av arbete, var det inte förrän på 1970- och 80-talen som fysiker började testa dem experimentellt.

De paradoxer som väcker mötet mellan kvantmekanik och relativitetsteori är lika gamla och utan tvekan djupare. Och ändå har fysiker ännu inte påbörjat ett samlat försök att utforska dem experimentellt.

Hög tid att ta tag i denna nässlan.

Ref: arxiv.org/abs/1206.4949 : Fundamentala kvantoptikexperiment tänkbara med satelliter som når relativistiska avstånd och hastigheter

Dölj